双金属温度计.ppt

3．测量仪表的分类,测温仪表,,接触式,非接触式,,膨胀式,电阻式,热电式,,固体式,液体式,压力式,,金属,非金属,,金属,非金属,,全辐射高温计,单色高温计,比色高温计,红外高温计,,双金属片,,水银温度计、有机液体,,气体、蒸汽压、液体,,铂、铜、镍,,锗、碳、热敏电阻,,铜-康铜、镍铬-镍硅,,碳化硼石墨,3.2膨胀式温度计,一、固体膨胀式温度计,典型的固体膨胀式温度计是双金属片，它利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针就构成双金属温度计。,工作原理,原来长度为l的一个固体，由于温度的变化所产生的长度变化可用下式表示,,将两种不同膨胀率、厚度为d的带材A和B粘合在一起，便组成一种双金属带，温度变化时，由于两种材料的膨胀率不同会使双金属带弯曲,则有,,,可解得,如果带材A采用铁镍合金,则有,,则,应用,实例,工业用双金属温度计,实例,双金属电接点温度计,二、液体膨胀式温度计,一种液体的体积为V，由于它的温度变化所引起的体积变化可以用下式表示,,这种利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制成的温度计称为液体膨胀式温度计。最常用的就是玻璃管液体温度计。,1-玻璃温包；2-毛细管；3-刻度标尺；4-膨胀室,玻璃管液体温度计液体工质与测温范围,玻璃管液体温度计的特点1.测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉，使用方便，2.但有易碎、不能远传信号和自动记录等缺点。,应注意两个问题1、零点漂移玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。2、露出液柱的校正使用时必须严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正值,,n为露出液柱所占的度数（℃）；K为工作液体在玻璃中可见的膨胀系数；t为分度条件下外露部分空气温度（℃）；t0为使用条件下外露部分空气温度（℃）。,根据所充填的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。,水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（－38～356℃）保持液态，在200℃以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。,电接点温度计分为可调式和固定式两种。,1-细长螺钉；2-椭圆形螺母；3-细导线；4-磁钢帽；5-扁平铁块；6、7-外引线,电接点温度计,三、压力式温度计,根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的测温仪表。,1-温包；2-毛细导管；3-压力计,由敏感元件温包，传压毛细管和弹簧管压力表组成。若给系统充以气体，如氮气，称为充气式压力式温度计，测温上限可达500℃，压力与温度的关系接近于线性，但是温包体积大，热惯性大。若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为－40℃～200℃和－40℃～170℃，若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随被测温度而变，如丙酮，用于50℃～200℃。但由于饱和汽压和饱和汽温呈非线性关系，故温度计刻度是不均匀的。,特点必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超过60m；仪表精度低，但使用简便，而且抗震动。,压力式温度计,实例,3.3热电偶温度计,利用不同导体间的“热电效应”现象制成的，具有结构简单、制作方便、测量范围宽、应用范围广、准确度高、热惯性小等优点。且能直接输出电信号，便于信号的传输、自动记录和自动控制。,一、热电偶的工作原理,两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果A和B所组成回路的两个接合点处的温度不相同，则回路中就有电流产生，说明回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。也称为塞贝克效应。由此效应所产生的电动势，通常称为热电势。,热电势是由两部分电势组成的，即接触电势和温差电势。,接触电势,当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材料A的电子密度大于材料B，则会有一部分电子从A扩散到B，使得A失去电子而呈正电位，B获得电子而呈负电位，最终形成由A向B的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由A向B扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，材料A和B之间就建立起一个固定的电动势。,由于两种材料自由电子密度不同而在其接触处形成电动势的现象，称为珀尔帖效应。其电动势称为珀尔帕电势或接触电势。,理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低。其关系式为,式中,单位电荷，4.80210-10绝对静电单位；,玻兹曼常数，1.3810-23J/℃；,材料A和B在温度为T时的电子密度；,接触处的温度，K。,接触电势的大小只与接点温度的高低以及导体A和B的电子密度有关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接触电势也越大。,结论,温差电势,因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。,由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同而产生电动势的现象称为汤姆逊效应。其产生的电动势称为汤姆逊电动势或温差电势。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。,N为材料的电子密度，是温度的函数；T，T0为材料两端的温度；t为沿材料长度方向的温度分布。,闭合回路的总热电势,,,,,,,,,,,,结论,,若材料A和B已定，则NA和NB只是温度的函数,,,结论,热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。,只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。,热电偶的两种材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则fT0为常数。回路总热电势EABT,T0只是温度的单值函数。,,热端，工作端，测量端,,冷端，参比端,分度表,二、热电偶的应用定则,均质导体定则,由一种均质导体组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。,中间导体定则,在热电偶回路中接入第三种（或多种）均质材料，只要所接入的材料两端连接点温度相同，则所接入的第三种材料不影响原回路的热电势。,证明,中间温度定则,两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为t和t0时的热电势EABt,t0等于热电偶在接点温度为t,tn和tn,t0时相应的热电势和的代数和，其中tn为中间温度。,,三、常用热电偶的材料、结构,热电偶材料应满足以下要求,2．能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧化、抗还原、抗腐蚀等性能。,1．两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。,3．具有高导电率和低电阻温度系数。,4．材料复现性好，便于成批生产，制造简单，价格低廉。,常用热电偶,铂铑10铂热电偶;分度号S,正极是铂铑合金，其成分为铂90与铑10负极由纯铂制成。,长时间可在0～1300℃之间工作短时间测量可达到1600℃常用金属丝的直径为0.35～0.5mm。,优点复现性好，精度高。一般可用于精密测量或作为国际温标中的基准热电偶。物理化学性能稳定，适于在氧化或中性气氛介质中使用。,缺点是热电势弱，灵敏度较低，价格昂贵，在高温还原介质中容易被侵蚀和污染而变质。,,铂铑10铂热电偶分度表（冷端温度为0℃）,,优点化学稳定性好，灵敏度较高、复现性较好，热电特性线性度好，价格低廉。是工业中和实验室里大量采用的一种热电偶。,镍铬镍硅热电偶分度号K,正极为镍铬，负极为镍硅。,长时间在1000℃以下的温度工作，短期可达到1300℃.,金属丝直径范围较大，工业应用一般为0.5～3mm。,缺点在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀，所以在这种气氛环境中工作的K型热电偶必须加装保护套管。,,镍铬镍硅热电偶分度表（冷端温度为0℃）,适用于较低温度的测量，测量精度较高。,铜－康铜热电偶分度号T,正极为铜，负极为康铜。,测温范围为－200℃～300℃，短期可达到400℃。,常用热电偶丝直径为0.2～1.6mm。,这是一种贵金属热电偶，也称为双铂铑热电偶。其显著特点是测温上限高，长时间可在1600℃工作，短时间可达到1800℃。测量精度高，热电偶丝直径为0.3～0.5mm，灵敏度较低，价格昂贵。由于这种热电偶在80℃以下热电势只有15微伏，所以无需考虑冷端温度对测量的影响。,铂铑30铂铑6热电偶分度号B,热电偶的结构形式,,1-接线盒2-保护套管3-绝缘套管4-热电偶丝,工业用热电偶,由热电极、绝缘套管、保护套管以及接线盒等组成。其绝缘套管大多为氧化铝管或工业陶瓷管。保护套管则根据测温条件来确定，测量1000℃以下的温度一般用金属套管，测量1000℃以上的温度则多用工业陶瓷甚至氧化铝保护套管。科学研究中所使用的热电偶多用细热电极丝制成，有时不加保护套管以减少热惯性，改善动态响应指标，提高测量精度。,由热电极、绝缘材料和金属套管三者一起经拉细加工而组成一体，也称套管热电偶。铠装热电偶具有性能稳定、结构紧凑、牢固、抗震等特点；由于测量端热容量小，所以热惯性小，具有很好的动态特性。外径、长度和测量端的结构型式可以根据需要而选定。外直径从0.25～12mm不等,铠装式热电偶,,1-金属套管；2-绝缘材料；3-热电极,铠装式热电偶断面结构图,由两种金属薄膜制成的一种特殊结构的热电偶。采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电偶材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端接点既小且薄，约为0.01～0.1m。适于壁面温度的快速测量，且响应快，其时间常数可达到微秒级，因而可测瞬变的表面温度。热电极有镍铬－镍硅、铜－康铜等。测温范围一般在300℃以下。基板尺寸为60mm6mm0.2mm。,薄膜式热电偶,,薄膜式热电偶示意图,1-热电极2-热接点3-绝缘基板4-引出线,四、热电偶的冷端补偿,方法冰浴法；理论修正法、冷端补偿器、补偿导线。,冰浴法,这是一种精度最高的处理办法，可以使t0稳定地维持在0℃。其实施办法是将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端插到试管底部，实现了t00℃的要求，,,1-冰水混合物；2-保温瓶；3-油类或水银；4-蒸馏水；5-试管；6-盖；7-铜导线；8-热电势测量仪表,理论修正法,热电偶的分度是在冷端保持为0℃条件下进行的。在实际使用条件下，若冷端温度不能保持为0℃，则所测得的热电势为相对于t0温度下的热电势，即EABt,t0。若能将热电偶冷端置于已知的恒温条件下，得到稳定的温度，则根据中间温度定则公式，可得到被测温度的实际值。,,R1、R2、R3采用锰铜丝无感绕制，其电阻温度系数趋于零，即阻值基本不随温度变化。,冷端补偿器法,,,桥臂R4用铜丝无感绕制，当在平衡点温度（规定0℃或20℃）时R41Ω。Rg为限流电阻，为配用不同分度号热电偶时作为调整补偿器供电电流之用。桥路供电电压为4V直流电压。,1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-指示仪表；5-冷端补偿器,平衡点温度计算点温度,补偿导线法,采用一种特殊的导线（称为补偿导线）代替部分热电偶丝作为热电偶的延长。,补偿导线的热电特性在0℃～100℃范围内应与所取代的热电偶丝的热电特性基本一致，且电阻率低，价格必须比主热电偶丝便宜。,回路总热电势,,,,,根据中间温度定律,常用补偿导线的型号有SC，KC，KX，EX，JX，TX,其中第一个字母与配用的热电偶的分度号相对应。,字母X表示延伸型；字母C表示补偿型,,热电偶中间温度定则示意图热电偶和连接导线示意图,,证明,中间温度定律说明当热电偶冷端温度不是0度时，只要能测得热电势，且已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度值。,,,,,则,,中间导体定则证明,回路总热电势为,,,在进一步分析上式之前，先分析图C所示的特殊情况。图C中假定三种材料的接点温度相同，设为T0，则,,由此得知,,,,,,中间导体定律表明热电偶回路中可接入测量热电势的仪表。只要仪表处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入的测量仪表的影响。同时该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借用均质等温的导体加以连接。,,第四节电阻式温度计,一、电阻式温度计原理,绝大多数金属的电阻值随温度而变化，温度越高电阻越大，即具有正的电阻温度系数。,,大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度的关系为,根据ITS－90国际温标的规定，13.81K～961.78℃的标准仪器是铂电阻温度计。工业中在－200～500℃的低温和中温范围内同样广泛使用热电阻来测量温度。在试验研究工作中，近几年来碳电阻可以用来测量1K的超低温；高温铂电阻温度计上限可达1000℃，但工业中很少应用。,材料要求,在测温范围内化学和物理性能稳定；复现性好；电阻温度系数大，以得到高灵敏度；电阻率大，可以得到小体积元件；电阻温度特性尽可能接近线性；价格低廉。,在中、低温范围内其精度高于热电偶温度计；灵敏度高。当温度升高1℃时，大多数金属材料热电阻的阻值增加0.4～0.6，半导体材料的阻值则降低3～6；不宜测量点温度和动态温度。,特点,二、常用热电阻元件,铂热电阻,采用高纯度铂丝绕制而成，具有测温精度高、性能稳定、复现性好、抗氧化等优点，因此在基准、实验室和工业中被广泛应用。但其在高温下容易被还原性气氛所污染，使铂丝变脆，改变其电阻温度特性，所以需用套管保护方可使用。,铂丝纯度是决定温度计精度的关键。铂丝纯度越高其稳定性越高、复现性越好、测温精度也越高。,铂丝纯度常用R100/R0表示，R100和R0分别表示100℃和0℃条件下的电阻值。,对于标准铂电阻温度计，规定纯度不小于1.3925；对于工业用铂电阻温度计纯度为1.391。,,标准或实验室用的铂电阻R0为10欧母或30欧母左右。国产工业用铂电阻温度计主要有三种，分别为Pt50,Pt100,Pt300。,铜热电阻,铜热电阻的电阻值与温度近于呈线性关系，电阻温度系数也较大，且价格便宜，所以在一些测量精度要求不是很高的情况下，就常采用铜热电阻。但其在高于100℃的气氛中易被氧化，故多用于测量－50～150℃温度范围。,我国统一生产的铜电阻温度计有两种Cu50,Cu100,半导体热敏电阻,优点负电阻温度系数大，因此灵敏度高。电阻率大，可作成体积小而电阻值大的电阻元件，这就使之具有热惯性小和可测量点温度或动态温度。缺点同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差、精度较低。,工业用热电阻,,热敏电阻,力矩M促使线圈绕中心轴转动。线圈转动时，支持线圈的张丝便产生反力矩Mn，其大小与动圈的偏转角Φ成正比。,第五节测温显示仪表,一、配接热电偶的测温显示仪表,常用的测量热电势的仪表有动圈式仪表、手动电位差计、自动电子电位差计和数字式电压表等。,动圈式温度指示仪表,当处于均匀恒定磁场中的线圈通以电流I时，线圈将产生转动力矩M，在线圈几何尺寸和匝数已定的条件下，M只与流过线圈的电流大小成正比,即MKI,,当两力矩平衡时，此时动圈的偏转角为,,动圈式温度指示仪表,流过仪表的电流为,,可见只有在ΣR一定时，动圈偏转角Φ才能正确地反映热电势的值，因此保持回路总电阻恒定或基本不变是保证测温精度的关键。而ΣRRNRE，其中是RN仪表内部等效电阻，RE是仪表外部电阻。,RERtR2RLRc,,,,,RNfRs,RD,RT,RB,Rp,,,,,,,RE,RN,结论ΣR变化很小,所以能够保证测温的精度.,直流电位差计,1．手动电位差计,测量回路,,工作电流回路,,校准回路,,当开关K置向“标准”位置时，校准回路工作，其电压方程为,,调整Rs以改变工作电流回路的工作电流I，使检流计G指零，,,当开关K置向“测量”位置时，测量回路工作，其电压方程为,,调整电阻RABC的滑动点B使检流计G指零,,2．自动电子电位差计,,二、配接热电阻的测温显示仪表,测量方法多采用不平衡电桥和自动平衡电桥。,不平衡电桥,,电桥输出不平衡电压为,,流过RM的电流IM为,,以不平衡电桥原理为基础的XCZ-102型动圈式温度指示仪,,热电阻元件和温度指示仪的连接有两种典型的接线方式二线制和三线制,,两线制,三线制,,自动电子平衡电桥,,第六节接触式测温技术,一、影响接触式温度测量的各种因素,,接触式温度测量产生误差的原因,1、传热学方面的原因,2、气动原因,3、动态误差,4、化学原因,二、高速气流温度测量、速度误差分析,静温度量气流的无序动能，动温度量气流的有向动能,,动温,静温与动温之和为气流的总温,,问题温度传感器测得的温度是什么温度静温动温总温,实际上处于高速气流中固定安装的测温传感器，对高速气流只有一定的滞止作用，并非完全绝热滞止。因此传感器既不能直接指示静温，也不能简单地测量总温，传感器实际的指示值被称为有效温度，记作Tg,Tg高于自由流静温，而低于自由流总温。,,速度误差,定义,,r为恢复系数，或称为复温系数,,,速度误差与马赫数和恢复系数有关，为了减小速度误差，希望恢复系数要大，气流流经温度计的M数要小。但是被测气流的M数通常不能随意改变，因此，减小速度误差的主要途径是提高热电偶的恢复系数，使它接近于1并具有较稳定的数值。,减小速度误差的方法,处理速度误差问题有二种途径，一种是根据使用工况，用实验方法测出其恢复系数值，然后计算修正值。,,,若已知气流马赫数，传感器恢复系数，并测出气流的有效温度后即可求得气流的静温及总温。,另一途径是设法使气流滞止。,,滞止罩,带滞止罩的热电偶称为总温热电偶,恢复系数的测定,热电偶在一定马赫数和安装角时的恢复系数最终都是要用实验的方法来测定的。,,1-稳压箱；2-待测热电偶；3-总温热电偶；4-总压管；5-压力计；6-冰瓶；7-切换开关；8-电位差计；9-喷管,,三、高温气流温度测量、辐射误差分析,辐射误差的分析模型,高温烟气主要以对流方式传热给热电偶，忽略烟气对热电偶的导热和辐射换热，则传热量为,,沿热电偶保护套管导出的热量,,热电偶与周围冷壁面的热交换，主要以辐射方式进行,由于被测温度随时间变化而引起热电偶的动态吸热量,,热电偶的热平衡方程式,,,当热电偶测温达到稳态时，则,,若测温元件使用合理、安装正确，其导热误差也可忽略,,,,热电偶的测温辐射误差,,减小辐射误差的措施,降低辐射误差的主要途径,（1）提高热电偶周围冷表面的温度,（2）增大对流换热系数；,（3）降低热电偶的黑度系数,具体实施办法,加遮热罩,,双热电偶,,辐射误差,,,热电偶垂直于气流方向安装，根据传热学原理可知在一定流速范围内其对流换热系数,,,抽气式热电偶,,1-铠装热偶；2-喷嘴；3-遮热罩；4-混合室扩张管；5-外金属套管,零直径外推法,,四、动态温度的测量、动态误差分析,,,,,,其通解,,,五、壁面温度的测量,,c的误差最小，因为热电偶丝沿等温线敷设，热接点的导热损失达到最小。b方式次之，热电偶丝的热损失由导热良好的金属片补充。a方式误差最大，因为导热损失全部集中在一个点上，热量不能得到充分补充。,壁面温度测量应优先考虑1．在强度允许条件下，应尽量采用直径小、导热系数低的热电偶；2．优先考虑等温线敷设。3．被测材料为非良导热体可采用面接触方式。4．如被测材料允许，表面开槽敷设对提高测量精度更为有利。,本章小结,测温仪表的分类,热电偶温度计,,热电偶测温原理,热电偶的回路性质,热电偶的冷端补偿,测温显示仪表手动电位计,测温技术,